Како би судари црвоточина могли да оставе траг у свемиру

Простор-време непрестано се таласа под утицајем гравитационих таласа који се шире свемиром. Научници су до сада открили стотине таквих сигнала, од којих се већина доводи у везу са сударима црних рупа. Међутим, да ли би сличне таласе могли да изазову и неки други, још увек хипотетички објекти, попут црвоточина?

Нове компјутерске симулације указују на то да би судари одређене врсте црвоточина могли да произведу необичне сигнале и изазову неочекиване промене у простор-времену. Резултати истраживања могли би да помогну научницима да препознају такве појаве у будућим посматрањима.

Шта су црвоточине и како би могле да настану

Црвоточине су хипотетичке структуре које се разматрају у оквиру Ајнштајнове опште теорије релативности, према којој је гравитација последица закривљености простор-времена. Теоријски, та закривљеност могла би да повеже две удаљене области свемира тунелом, односно пролазом који се назива црвоточина.

Иако су чест мотив научне фантастике, где служе као пречице кроз свемир, њихово постојање до данас није потврђено.

Један од познатих теоријских модела је Ајнштајн–Розенов мост, који није проходан. Други је црвоточина Елис–Бронников, за коју математички модел предвиђа да би могла да буде проходна захваљујући такозваном фантомском скаларном пољу. Оно има необична својства која би, према том моделу, могла да спрече затварање пролаза.

Међутим, то што би црвоточина могла да буде проходна не значи да би била и стабилна. Чак и мало нарушавање равнотеже могло би да доведе до урушавања њеног грла и настанка црне рупе или до неконтролисаног ширења, познатог као инфлација.

Зато су физичари испитали шта би се догодило када би две такве црвоточине почеле да међусобно делују.

Шта се дешава када се две црвоточине приближе

Физичар Никита М. Широков са Московског института за физику и технологију и инжењер машинског учења Илија Начевски са Више школе економије у Русији спровели су тродимензионалне симулације парова црвоточина Елис–Бронников. Мењали су њихово почетно растојање, путање и својства фантомских скаларних поља која, према моделу, одржавају пролаз отвореним.

Симулације су показале неколико могућих исхода. У зависности од почетних услова, црвоточине су могле да се привлаче или одбијају. У неким случајевима пролазиле су једна поред друге, а затим се удаљавале, док су им се грла знатно ширила.

У другим симулацијама кретале су се једна према другој, али се нису спајале у једну већу црвоточину. Уместо тога, око оба грла формирао се заједнички привидни хоризонт, структура налик хоризонту црне рупе. Он је обухватио обе црвоточине у области у којој је долазило до формирања црне рупе.

Посебно је занимљиво то што се површина тог хоризонта смањивала. Према резултатима симулација, док је фантомско скаларно поље доспевало у област урушавања, површина хоризонта смањила се за око 28 одсто.

То се разликује од понашања које се уобичајено очекује од хоризонта догађаја црне рупе. Према теореми о површини црне рупе, коју је Стивен Хокинг формулисао 1971. године, површина хоризонта догађаја не може да се смањује, већ може само да расте или остане непромењена.

Ипак, резултати симулације не значе да је та теорема прекршена. У овом случају реч је о привидном хоризонту, а не о хоризонту догађаја, док фантомско скаларно поље има својства која нарушавају претпоставке на којима се теорема заснива. Због тога модел допушта смањење површине хоризонта.

Гравитациони таласи могли би да открију разлику

Судари масивних објеката, попут црних рупа, изазивају поремећаје простор-времена који се шире као гравитациони таласи. Како се две црне рупе приближавају једна другој, сигнал који емитују обично постаје све јачи, а његова фреквенција расте. Такав карактеристичан образац назива се „чирп“.

Према новим симулацијама, међусобно деловање црвоточина Елис–Бронников могло би да произведе другачије сигнале — кратке и нагле налете гравитационих таласа. Њихов облик и јачина зависили би од тога да ли су се црвоточине кретале директно једна према другој или су само прошле једна поред друге.

У неким симулацијама нарочито снажни налети настајали су чак и када се није формирао заједнички привидни хоризонт.

Ипак, такав сигнал сам по себи не би био доказ постојања црвоточина. И црне рупе у одређеним околностима могу да произведу сличне сигнале.

Истраживачима је пажњу привукао и гравитациони талас GW190521, откривен 2019. године, који је накнадно разматран и у контексту могућих егзотичних појава у простор-времену. Међутим, то не значи да је настао сударом црвоточина. Аутори новог истраживања не успостављају везу између тог догађаја и резултата својих симулација.

Да ли би такви сигнали могли да се открију?

Једна од препрека за откривање оваквих појава јесте фреквенција гравитационих таласа. Истраживачи наводе да би таласи настали услед интеракције црвоточина формираних у раном свемиру могли, због ширења свемира, данас да имају знатно ниже фреквенције од оних које могу да региструју опсерваторије попут ЛИГО-а и планиране мисије ЛИСА.

Да би сигнали описани у симулацијама могли да буду откривени, црвоточине би морале да настану знатно касније у историји свемира. За сада, међутим, није познато како би такав процес могао да се одвија.

Резултати истраживања не потврђују постојање црвоточина, већ описују могуће последице њиховог међусобног деловања у оквиру одређеног теоријског модела. Ипак, указују на то да би необични гравитациони сигнали у будућности могли да помогну у истраживању појава које се разликују од уобичајених судара црних рупа.